SI-list【中國】SI-list【中國】HFSSPORT終極解決方案（三）

2016-09-24 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文大綱

本文章分三部分:

(一)wave port與lumped port的理解

(二)兩種port的仿真操作用法

(三)S參數歸一化的問題

說明:這里說的port主要是針對Ansys的HFSS電磁場全波仿真器

簡單介紹下HFSS:

ANSYS HFSS,是ANSYS公司推出的三維電磁仿真軟件;是世界上第一個商業化的三維結構電磁場仿真軟件,業界公認的三維電磁場設計和分析的電子設計工業標準。HFSS提供了一簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解器、擁有空前電性能分析能力的功能強大后處理器,能計算任意形狀三維無源結構的S參數和全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的天線設計功能,它可以計算天線參量,如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬;繪制極化特性,包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比。使用HFSS,可以計算:

① 基本電磁場數值解和開邊界問題,近遠場輻射問題

② 端口特征阻抗和傳輸常數

③ S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數

④ 結構的本征模或諧振解。

而且,由ANSYS HFSS和ANSYS Designer構成的ANSYS高頻解決方案,是目前唯一以物理原型為基礎的高頻設計解決方案,提供了從系統到電路直至部件級的快速而精確的設計手段,覆蓋了高頻設計的所有環節。現在最新的版本應該到了ANSYS HFSS 16.

ANSYS workbench

3S參數歸一化的問題

三個論點

1.歸一化對S參數有什么影響

2.為什么要歸一化

3.如何進行歸一化

1.歸一化對S參數有什么影響

首先理解下“歸一化”里的“一”指的不是數值1,而是統一的意思。那歸一化其實就是歸類統一的意思,那到底要統一什么量呢?對,它統一的是端口阻抗。

在第一章里我們說過S參數的值和它的端口阻抗有關系,準確的說,S參數應該表述為“在端口阻抗為portz(portz可以是變量可以是常數)的條件下測得的S參數”。很顯然隨著端口阻抗portz變化,那么測出來的S參數同樣也會發生變化。

我們先來看一下同一個網絡,在端口阻抗設分別設為50歐和75歐時跑出來的S11曲線的差別,如圖14

圖14

明顯看出來兩個曲線的差別,那么它們到底哪一個是正確的S11曲線呢?

其實,這兩個S11曲線都是正確的,上面說過S參數其實在一定的端口阻抗條件下測出來的值,兩種S11曲線只不過是兩種不同情況下的表示方法而已,它們所描述的網絡其實還是那個網絡。打個比方,比如一條狗,中國人說這個動物叫“狗”,美國人說這個動物叫“dog”,那么這個動物是叫“狗”正確還是叫“dog”正確呢,很顯然都沒有錯,狗還是那條狗,只是在不同的情況下叫法不一樣而已。

可能大家會問,既然端口阻抗變化后導致了S參數的變化,那么導出來的S參數里回包含端口阻抗的信息么,比如S參數經常要用到時序鏈路仿真里去,你得告訴仿真軟件我這個S參數是在哪種端口阻抗條件下得到的。OK,S參數的touchstone格式文件里面確實會包含端口阻抗的信息,如下圖15所示,大家有興趣可以隨便找一個S參數文件翻翻

圖15

上面圖片中從左到右Hz表述掃頻的正弦波的單位,S代表該文件為S參數,db代表S參數的表示形式, R 50則是代表端口阻抗為50歐。

另外我們看一個特例,就是第一章我們說的wave port不進行歸一化處理時,它的端口阻抗會隨著頻率不停的改變且始終和被測網絡接觸處阻抗匹配,也就是說這樣得到的的S參數沒有端口間的相互作用;一旦對它進行全頻帶的歸一化后得到的S參數就包含了各個端口間的相互作用,也就說在整個頻帶端口阻抗將和被測網絡接觸處阻抗不匹配了。對于均勻的微帶線或者帶狀線來說,不歸一化時得到的端口阻抗其實就等于特性阻抗。

某些時候特定的場合,需要將S參數做歸一化處理,這就是我們底下要說的內容,為什么要歸一化。

2.為什么要歸一化

在實際測試中使用的一些工具,比如矢量網絡分析儀,它在測試網絡的S參數時在端口的地方固定使用的測試線纜或者接頭是50歐的,那么它測出來的S參數就表示在端口阻抗為50歐的情況下測得的。

我們再回頭看看HFSS仿真時加的wave port要是不做歸一化時它的端口阻抗是不停變化的,顯然為了對比實際測試和仿真的結果,端口阻抗不歸一化到50歐是沒有什么意義的。打個比方,比如兩組數,第一組為1/3,2/3,4/3,第二組為:2/6,6/9,16/12 ,假設我們把分子看作是端口阻抗,分母看著是S參數,第一組數看作是矢量網絡分析儀測得的數,它的端口阻抗都為3,第二組數為仿真得到的數,它的端口阻抗為6,9,12,在不停的變化。我要對比這兩組數,那我肯定得先將第二組數分子都轉成3才好對比,則將第二組數變為:1/3,2/3,4/3,這樣就好對比了。這僅僅是打個比方,實際轉化比這個要復雜的多。

這里只是舉個例子,不是說所有實際的端口阻抗都是歸一化到50歐,主要是大家聽說歸一化到50歐的情況太多了,多少會有點誤導,歸一化的值根據實際情況取舍。

另外可能有一些時域鏈路的仿真軟件需要端口歸一化到50歐,其實歸一化就是為了某些特定情況的要求。接下來我們說說如何進行歸一化。

3.如何進行歸一化

先簡單說下歸一化的原理,這里就得提到Z參數,大家都知道Z參數是阻抗矩陣,可以由S參數轉化而來。Z參數的值和S參數不一樣,它是不會隨著端口阻抗的變化而變化的,先看一下Z參數由S參數轉化的公式,